袁炜从十岁开始专习八股文，读书过目则成诵。17岁补县学生，熟读经史，以博雅称冠一时。嘉靖十六年(1537年)，他参加乡试，获得第二名。第二年，夺得会试第一名会元。殿试时，内阁最初拟定陆师道为状元，明世宗御笔批作二甲第五名，改袁炜第一。文华殿读卷时，又因袁炜言边事过于率直，又将其改第三，擢茅瓒第一。

袁炜是明代少数可以称之为“神童”者之一。据说他出生前，父母于同日都梦见一黑龙降临其家。果然，袁炜生而黧黑，双瞳炯炯如电，短小精悍，精绝颖异。他五岁时便能作对子，而且多有奇特之语。10岁时，他跟随父亲到家乡的清道观看县令审案。因他人小站在最前面。县令见他神情专注，气宇不凡。就问：“这是谁的小儿?”他父亲答道：“在下小人的犬子。”县令又问：“他会不会作对子?”父亲答道：“刚刚开始学。”县令这时看见道观上空，有两只白鹤翩翩飞舞，便出了一对：“三清殿上飞双鹤。”袁炜应声答道：“五色云中驾六龙。”知县忍不住高声对一旁的学正连连说：“答得好!答得好!”学正说：“只能说他用得好，这是林洪宫词中的‘五色云车驾六龙’的活用，一字之改，大概他刚刚读过这首诗。”县令说：“这也不易。”接着县令又给袁炜出了一联：“投子四方开六面。”袁炜立刻又对出：“丈夫一德贯三才。”这回连学正也不得不佩服小袁炜的对答如流，称赞他：“真是个神童啊!”